Composable Rate-Independent Computation in Continuous Chemical Reaction Networks
Composable Rate-Independent Computation in Continuous Chemical Reaction Networks
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连续化学反应网络中的可组合速率无关计算
DOI：
10.1007/978-3-319-99429-1_15
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发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Soloveichik, D
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Chalk, C;Kornerup, N;Reeves, W;Soloveichik, D
生物调节网络依赖于化学相互作用来处理信息。设计这样的分子计算系统是合成生物学和相关领域的一个重大挑战。化学反应网络 (CRN) 模型理想化了化学相互作用，允许对化学动力学的计算能力进行严格推理。在这里，我们重点关注 CRN 的函数计算，其中我们将某些物种的初始浓度作为输入，将另一个物种的平衡浓度作为输出。具体来说，我们关注的是与速率无关的 CRN（计算必须正确，独立于反应速率定律）和可组合的（可以通过连接 CRN 计算和来计算）。速率独立性和可组合性是重要的工程需求，允许违反质量作用动力学甚至“良好混合性”的实现，并允许通过模块化设计系统地构建复杂计算。我们证明，要构建可组合的速率无关的 CRN，有必要且充分地确保模块的输出物质不是模块内任何反应中的反应物。然后，我们准确地将此类 CRN 可计算的函数描述为超可加函数、正连续函数和分段有理线性函数。因此，除非使用更复杂的输入/输出编码，否则可组合性严重限制了与速率无关的计算。
Biological regulatory networks depend upon chemical interactions to process information. Engineering such molecular computing systems is a major challenge for synthetic biology and related fields. The chemical reaction network (CRN) model idealizes chemical interactions, allowing rigorous reasoning about the computational power of chemical kinetics. Here we focus on function computation with CRNs, where we think of the initial concentrations of some species as the input and the equilibrium concentration of another species as the output. Specifically, we are concerned with CRNs that are rate-independent (the computation must be correct independent of the reaction rate law) and composable (can be computed by concatenating the CRNs computingand). Rate independence and composability are important engineering desiderata, permitting implementations that violate mass-action kinetics, or even “well-mixedness”, and allowing the systematic construction of complex computation via modular design. We show that to construct composable rate-independent CRNs, it is necessary and sufficient to ensure that the output species of a module is not a reactant in any reaction within the module. We then exactly characterize the functions computable by such CRNs as superadditive, positive-continuous, and piecewise rational linear. Thus composability severely limits rate-independent computation unless more sophisticated input/output encodings are used.
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